CN110006873B - 基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，包括如下步骤：(1)首先采用稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡5‑15min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，且以10μL/min的速率注入硝酸银溶液，反应时间为5‑15min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗表面的液体冲洗干净，即获得三维微纳结构SERS基底；(2)将待测样品配制成溶液，并以10μL/min的速率通入PDMS微流管道中；(3)将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号。该检测方法灵敏度高，便携式小型化，且制备的SERS基底对癌细胞具有过滤性和识别性。

Description

基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法
技术领域
本发明属于表面增强拉曼光谱分析技术领域，具体涉及一种基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法。
背景技术
随着研究的不断深入，表面增强拉曼光谱(SERS)的应用已经扩展到各个领域。在这些应用中，与微流体设备结合的SERS测试已经在传统的宏观环境中显示出一些明显的优势。目前，在微流体表面增强拉曼光谱研究中，由金属纳米结构组成的大多数增强基底都是在通道中直接制备的。比如，Kang等人报道了一种光诱导合成方法，用于制备嵌入在集成到微流体系统的氧化锌纳米线表面的银纳米颗粒；Bai等人制备了一种基于飞秒激光辅助湿法蚀刻的三维微流体SERS系统；Leem等人用多元醇法加热基底时，直接在微流体通道中形成了银薄膜。此外，其他方法，如光还原和光热效应等也已经被用于在微流系统中制造增强基底。
然而，在这些二维的微流系统中，大多数都是在微流管道中直接制备二维增强基底的，在流动的液体中，由于低浓度的分子在几百微米的通道中流动，很难附着在基底表面，因而待测分子难以到达金属表面增强热点(≤100nm)，导致分子的拉曼光谱检测效果不佳，给SERS检测带来一定困难。有研究者在微流通道中合成三维SERS基底，主要是三维结构的微粒有高表面积从而到达金属结构表面的热点，有助于增强SERS信号，并实现对待测分子的检测。但是，这些方法设备昂贵、制备过程复杂、耗时长、检测成本高。
因此，研发一种SERS基底用来提高SERS信号的便捷方法，从而准确的分析不同待测样品的拉曼光谱，是解决微流SERS测试耗时和降低设备成本费用的关键问题之一。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，该检测方法灵敏度高，便携式小型化，且制备的SERS基底对癌细胞具有过滤性和识别性，可以满足食品安全评价等应用方面的新需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，包括如下步骤：
(1)首先采用稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡5-15min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的1/3-1/2，且以10μL/min的速率注入硝酸银溶液，反应时间为5-15min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗表面的液体冲洗干净，即获得三维微纳结构SERS基底；
(2)将待测样品配制成溶液，并以10μL/min的速率通入PDMS微流管道中，通入时间为10min；
(3)将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号。
进一步，步骤(1)中采用的稀硫酸为质量分数为1.0-3.0％的稀硫酸溶液，所述硝酸银溶液的浓度为1-10mM。使用稀硫酸浸泡铜颗粒的目的是为了去掉铜颗粒表面的氧化层。
进一步，步骤(3)中采集待测样品拉曼光谱信号的条件为：激光波长为633nm，激光功率为10mW，采集时间为20s。
以现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法灵敏度高，可实现便携式检测，同时制备SRES基底的方法具有制备时间短、成本低、操作简单，可实现对不同待测分子的SERS检测的特点，且制备的SERS基底对癌细胞具有过滤性和识别性，可以满足食品安全评价等应用方面的新需求。
附图说明
图1为三维微纳结构SERS基底合成前后的SEM图；
图2为亚甲基蓝(MB)的拉曼光谱图；
图3为尿素的拉曼光谱图；
图4为三聚氰胺的拉曼光谱图；
图5为H1299肺癌细胞和MDA-MB 231乳腺癌细胞的拉曼光谱；
图6为SERS基底右、左、底、顶部四个方向处特征峰为1618cm-1的拉曼光谱图；
图7为微流管道进出口细胞的模拟图。
具体实施方式
一种基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，包括如下步骤：
(1)首先采用质量分数为1.0-3.0％的稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡10min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的1/3-1/2，且以10μL/min的速率注入浓度为1-4mM硝酸银溶液，反应时间为5-15min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗粒表面的液体冲洗干净为止，即获得三维微纳结构SERS基底；
(2)将待测样品配制成溶液，并以10μL/min的速率通入PDMS微流管道中，通入时间为10min；
(3)将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号，拉曼信号采集的条件为：激光波长为633nm，激光功率为10mW，采集时间为20s。
图1为SEM图，其中，图(a)为SERS基底合成前的SEM图，从图中可知，合成前的铜颗粒表面较光滑；图(b)为SERS基底合成后的SEM图，由于置换反应生成的Ag包裹在Cu颗粒表面，从而形成具有微米级缝隙的铜银掺杂三维维纳结构。
本发明的检测方法可以对亚甲基蓝(MB)或尿素或三聚氰胺溶液进行检测，还可用于对癌细胞的过滤和识别。
下面结合具体实施例，对本发明方法进行详细说明。本发明中采用的微流管道的进口端维数为600*150*1000μm(宽*高*长)，出口端为30*150*1000μm。
实施例1
对亚甲基蓝(MB)的拉曼光谱进行检测，具体检测按如下步骤：
(1)首先采用质量分数为2.0％的稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡10min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的1/3-1/2，且以10μL/min的速率注入浓度为1mM硝酸银溶液，反应时间为10min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗粒表面的液体冲洗干净为止，即获得三维微纳结构SERS基底；
(2)将MB配制成浓度为10-4M、10-5M、10-6M、10-7M和10-8M的水溶液，并以10μL/min的速率将上述溶液通入PDMS微流管道中，通入时间为10min；具体操作是通过针管将上述不同浓度的溶液通入管道中，按由低浓度到高浓度的顺序通入；
(3)将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号，拉曼信号采集的条件为：激光波长为633nm，激光功率为10mW，采集时间为20s。结果如图2所示，从图中可以看出，采用本发明的检测方法在1618cm-1处可以获得不同浓度的MB的拉曼特征峰，且本发明的检测方法可以检测到浓度为10-7M的MB的拉曼特征峰，这说明本发明的检测方法灵敏度高。
实施例2
对尿素的拉曼光谱进行检测，具体检测按如下步骤：
(1)首先采用质量分数为1.0％的稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡10min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的1/3-1/2，且以10μL/min的速率注入浓度为2mM硝酸银溶液，反应时间为5min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗粒表面的液体冲洗干净为止，即获得三维微纳结构SERS基底；
(2)取一定的去离子水加热到90℃，并向去离子水中加入尿素，配制成浓度为10- 4M、10-5M、10-6M、10-7M和10-8M的水溶液，并以10μL/min的速率将上述溶液通入PDMS微流管道中，通入时间为10min；具体操作是通过针管将上述不同浓度的溶液通入管道中，按由低浓度到高浓度的顺序通入；
(3)将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号，拉曼信号采集的条件为：激光波长为633nm，激光功率为10mW，采集时间为20s。结果如图3所示，从图中可以看出，采用本发明的检测方法在965cm-1处可以获得了不同浓度的尿素的拉曼特征光谱峰。
实施例3
对三聚氰胺的拉曼光谱进行检测，具体检测按如下步骤：
(1)首先采用质量分数为3.0％的稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡10min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的1/3-1/2，且以10μL/min的速率注入浓度为4mM硝酸银溶液，反应时间为150min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗粒表面的液体冲洗干净为止，即获得三维微纳结构SERS基底；
(2)取一定的去离子水加热到90℃，并向去离子水中加入三聚氰胺，配制成浓度为10-5M、10-6M、10-7M和10-8M的水溶液，并以10μL/min的速率将上述溶液通入PDMS微流管道中，通入时间为10min；具体操作是通过针管将上述不同浓度的溶液通入管道中，按由低浓度到高浓度的顺序通入；
(3)将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号，拉曼信号采集的条件为：激光波长为633nm，激光功率为10mW，采集时间为20s。结果如图4所示，从图中可以看出，采用本发明的检测方法在953cm-1处可以获得了不同浓度的三聚氰胺的拉曼特征光谱峰。
实施例4
对培养液中H1299肺癌细胞和MDA-MB 231乳腺癌细胞的拉曼光谱进行检测，具体检测按如下步骤：
(1)首先采用质量分数为2.0％的稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡10min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的1/3-1/2，且以10μL/min的速率注入浓度为10mM硝酸银溶液，反应时间为10min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗粒表面的液体冲洗干净为止，即获得三维微纳结构SERS基底；
(2)将H1299肺癌细胞和MDA-MB 231乳腺癌细胞在37℃、5％CO2的培养箱中培养，以10μL/min的速率将含培养液的癌细胞通入PDMS微流管道中，通入时间为10min；
(3)并将PBS溶液通入管道冲洗癌细胞，收集装置出口处溶液，进行拉曼光谱信号采集，拉曼信号采集的条件为：激光波长为633nm，激光功率为10mW，采集时间为20s。结果如图5所示，从a图和b图中可以看出，采用本发明的检测方法在1386cm-1处和670cm-1、994cm-1处可分别获得H1299肺癌细胞和MDA-MB 231乳腺癌细胞的拉曼特征光谱峰。
实施例5
验证本发明制备的SERS基底的稳定性
以实施例1对MB的拉曼光谱进行检测为例，将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，分别从微流管道右侧、左侧、底部和顶部四个方向采集MB的拉曼光谱信号。其中选取6个峰强位置为1618cm-1处的特征峰测量值，用于分析SERS基底的稳定性。结果如图5所示，从图中可以看出在管道的右侧、左侧、底部和顶部均可采集到MB的拉曼光谱信号，其中，从管道底部采集的信号最强，其次是顶部，左侧，右侧；这说明本发明制备的三维微纳结构SERS基底的三维稳定性好，可以从SERS基底的任一方向采集信号。
实施例6
验证本发明制备的三维微纳结构SERS基底对细胞的过滤性和识别性能
将细胞通过进口引入，并与三维微纳结构SERS基底接触，在直接过滤的情况下，多余的液体将通过出口流出，细胞堆积在管道内，在出口处无细胞流出。以不同流速循环重复几次，出口位置均没有出现细胞，证明此三维微流体系统具有出色的过滤性能。结果如表1所示：
表1不同流速下进出口细胞数对比
Figure BDA0002020341600000071
其中，所采用的微流管道的进口端维数为600*150*1000μm(宽*高*长)，出口端为30*150*1000μm。
从表中可以看出，在不同流速下，当杂质和细胞同时从三维微流体系统的出口进入，经过三维SERS基底，最后在出口处未检测到细胞，这说明采用本发明的三维SERS基底制备的微流装置对细胞具有过滤性和识别性能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先采用稀硫酸溶液将铜颗粒浸泡 5-15 min，将浸泡好的铜颗粒通入PDMS 微流管道中，通入铜颗粒的量为微流管道容积的 1/3-1/2，且以 10 μL/min 的速率注入硝酸银溶液，反应时间为 5-15 min，最后采用乙醇冲洗铜颗粒，直到铜颗粒表面的液体冲洗干净，即获得具有微米级缝隙的铜银掺杂三维微纳结构SERS 基底；
将待测样品配制成溶液，并以 10 μL/min 的速率通入PDMS 微流管道中，通入时间为10 min；
将微流系统置于共聚焦拉曼检测平台的载物台上，调整显微物镜与样品的距离，将激光焦点聚焦在样品上，采集待测样品的拉曼光谱信号。
2.根据权利要求 1 所述的基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，其特征在于，步骤（1）中采用的稀硫酸为质量分数为 1.0-3.0%的稀硫酸溶液，所述硝酸银溶液的浓度为 1-10 mM。
3.根据权利要求 1 所述的基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，其特征在于，步骤（3）中采集待测样品拉曼光谱信号的条件为：激光波长为 633 nm，激光功率为 10 mW，采集时间为 20 s。
4.根据权利要求 1 所述的基于三维微纳结构增强拉曼光谱的环境污染物检测方法，其特征在于，步骤（1）中得到的三维微纳结构SERS 基底应用于亚甲基蓝或尿素或三聚氰胺溶液的检测，还应用于细胞的过滤与识别。
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